Tendinte Moderne Mat Electr

21
Tendinţe moderne în ştiinţa şi tehnologia materialelor electronice avansate Mihai Popescu Secolul al 20-lea a fost martorul unei dezvoltări uluitoare a ştiinţei şi tehnologiei, cu impact asupra omului sub toate aspectele vieţii. Trei ştiinţe majore s-au dezvoltat şi au marcat secolul: fizica, ştiinţa care a reuşit înţelegerea structurii atomilor prin prisma mecanicii cuantice. biologia (cu ramurile sale, biofizica, biochimia şi genetica), prin care s-a reuşit înţelegerea structurii celulei şi a mecanismelor vieţii. informatica, prin care s-au dezvoltat în simbioză mijloacele de comunicare şi de calcul. Începutul secolului al 21-lea surprinde omenirea în faţa unor noi provocări: modificări neprevăzute de climă, apariţia unor noi agenţi patogeni, poluarea la toate nivelurile şi sub toate formele posibile (chimică, electromagnetică, etc.), radiaţia radioactivă, epuizarea unor surse de energie, terorismul cu toate formele lui (atacuri bacteriologice, atacuri cu arme convenţionale, atacuri cu gaze de luptă). În aceste condiţii, ştiinţa omenirii îşi regrupează forţele, încercând să ofere soluţii fundamentale, care să poată fi preluate de tehnologia modernă. Microelectronica reprezintă pilonul tehnologic, care se bazează pe cele trei ştiinţe majore şi are cel mai profund impact asupra tuturor aspectelor vietii omului: hrană, energie, transport, comunicare, petrecerea timpului liber, sănătate... Dispozitivele microelectronice au devenit deja cărămizile sistemelor care sunt utilizate pentru monitorizarea unei hrane de bună calitate (analize chimice şi bacteriologice), a poluării, a utilizării mai eficiente a energiei (surse regenerabile, sisteme LED), pentru controlul vehiculelor electrice, a transmiterii informaţiei, pentru asigurarea petrecerii cât mai relaxante a timpului liber (realitatea virtuală, jocurile video...), pentru vindecarea bolnavilor şi refacerea corpului omenesc deteriorat (simţuri artificiale, piese de schimb ale organismului, medicina asistată laser), precum şi contribuţia esenţială la explorarea unor zone noi: spaţiul cosmic, alte planete, spaţiul submarin, interiorul vulcanilor. Deşi s-au obţinut progrese semnificative, microelectronica este încă departe de a fi capabilă să imite Natura în termenii densităţii de integrare, a funcţionalităţii şi a performanţei.

description

materiale electronice

Transcript of Tendinte Moderne Mat Electr

  • Tendine moderne n tiina i tehnologia materialelor electronice avansate

    Mihai Popescu

    Secolul al 20-lea a fost martorul unei dezvoltri uluitoare a tiinei i tehnologiei, cu impact asupra omului sub toate aspectele vieii. Trei tiine majore s-au dezvoltat i au marcat secolul:

    fizica, tiina care a reuit nelegerea structurii atomilor prin prisma mecanicii cuantice.

    biologia (cu ramurile sale, biofizica, biochimia i genetica), prin care s-a reuit nelegerea structurii celulei i a mecanismelor vieii.

    informatica, prin care s-au dezvoltat n simbioz mijloacele de comunicare i de calcul.

    nceputul secolului al 21-lea surprinde omenirea n faa unor noi provocri: modificri neprevzute de clim, apariia unor noi ageni patogeni, poluarea la toate nivelurile i sub toate formele posibile (chimic, electromagnetic, etc.), radiaia radioactiv, epuizarea unor surse de energie, terorismul cu toate formele lui (atacuri bacteriologice, atacuri cu arme convenionale, atacuri cu gaze de lupt).

    n aceste condiii, tiina omenirii i regrupeaz forele, ncercnd s ofere soluii fundamentale, care s poat fi preluate de tehnologia modern.

    Microelectronica reprezint pilonul tehnologic, care se bazeaz pe cele trei tiine majore i are cel mai profund impact asupra tuturor aspectelor vietii omului: hran, energie, transport, comunicare, petrecerea timpului liber, sntate...

    Dispozitivele microelectronice au devenit deja crmizile sistemelor care sunt utilizate pentru monitorizarea unei hrane de bun calitate (analize chimice i bacteriologice), a polurii, a utilizrii mai eficiente a energiei (surse regenerabile, sisteme LED), pentru controlul vehiculelor electrice, a transmiterii informaiei, pentru asigurarea petrecerii ct mai relaxante a timpului liber (realitatea virtual, jocurile video...), pentru vindecarea bolnavilor i refacerea corpului omenesc deteriorat (simuri artificiale, piese de schimb ale organismului, medicina asistat laser), precum i contribuia esenial la explorarea unor zone noi: spaiul cosmic, alte planete, spaiul submarin, interiorul vulcanilor.

    Dei s-au obinut progrese semnificative, microelectronica este nc departe de a fi capabil s imite Natura n termenii densitii de integrare, a funcionalitii i a performanei.

  • Previziunile specialitilor spun c n cadrul tehnologiei microelectronice actuale nu este de ateptat s se ajung la nivele similare viului, datorit limitrilor fizice ale sistemelor microelectronice.

    O abordare cu totul diferit este avut n vedere pentru modul n care va fi condus dezvoltarea tiinei i tehnologiei materialelor, n particular a materialelor electronice avansate, n secolul nostru.

    Noua abordare const n dezvoltarea cercetrilor n direcia apropierii de nivelul structurii atomice, folosind aa-numita electronic la scar nano sau nano-electronic. Prin micarea ctre dimensiuni mai mici se urmrete creterea densitii de integrare, a funcionalitii sistemelor i a performanei acestora (spre exemplu, creterea vitezei de operare i scderea puterii consumate).

    Datorit nano-electronicii va fi posibil ca, n viitor, s se creeze sisteme atomice i molecule artificiale, sisteme multifuncionale integrate la scara atomilor. tiina materialelor are un rol esenial n pregtirea saltului tehnologic de mine prin crearea de noi materiale i noi structuri, dar, nu n ultimul rnd, prin descoperirea de noi fenomene fizice i proprieti specifice la scar atomic.

    Realizrile de vrf n domeniul materialelor avansate prefigureaz, printr-o linie de extrapolare pe termen mediu, evoluia tiinelor, n particular cea a fizicii materiei condensate, precum i impactul tehnologic la scar nanometric.

    Cercetarea fundamental n domeniul materialelor avansate trebuie s fie dirijat ctre descoperirea relaiilor dintre proprietile care determin funcionalitatea materialului, compoziia chimic i structura lui. Este important de remarcat c diferite proprieti de material sunt determinate de comportarea colectiv a moleculelor, atomilor i electronilor iar aceast comportare ar putea fi extrem de neliniar pentru scri de timp i de mrime diferite. nelegerea fundamental este esenial dac vrem ca funcionalitatea materialelor s fie asigurat pe perioade lungi de timp.

    Trebuiem s evideniem faptul c prin coborrea la o alt scar de dimensiune, se intr ntr-o lume aparte, cu legile ei specifice, care pot fi exploatate n tiina materialelor. Reducerea particulei la scar nanometric conduce la efecte cuantice, deoarece aceste dimensiuni sunt comparabile cu lungimea de und de Broglie a electronilor, a fononilor i cu drumul liber mijlociu al excitonilor. Confinarea electron-gol n particulele semiconductoare conduce la cuantizarea tridimensional, adic la formarea de dot-uri cuantice, cristalite cuantice sau excitoni zero-dimensionali. Confinarea bidimensional a purttorilor de sarcin conduce la fire cu gropi cuantice sau excitoni uni-dimensionali. Prin cuantizarea dimensional, ingineria de band conduce la proprieti mecanice, chimice, electrice, optice, magnetice, electro-optice i magneto-optice considerabil diferite de cele observate n materialul masiv.

  • ncercm n cele ce urmeaz s artm, n mod sintetic, care sunt principalele linii directoare ale noii evoluii n tiina i tehnologia materialelor electronice avansate:

    Fenomenele de auto-organizare a materiei condensate vor fi utilizate la auto-asamblarea elementelor de circuit la scar nanometric, ceea ce va duce la sporirea densitii de integrare, la simplificarea procedeului de obinere i la creterea fiabilitii dispozitivelor electronice.

    Provocarea tiinific: Au fost descoperite reacii chimice care fac ca particulele magnetice foarte mici (care conin doar cteva mii de atomi i au diametrul de ~4 nm) s se auto-asambleze n reele perfect ordonate, n care fiecare particul s fie situat la distane prestabilite fa de particulele vecine. Reaciile permit controlul precis att al dimensiunii nanoparticulei ct i al distanei de separare, factori importani pentru creterea densitii de date memorate magnetic. Este necesar cunoaterea i nelegerea fenomenologiei magnetizrii particulelor mici.

    Pe plan general, este necesar nelegerea profund a sistemelor complexe. Este necesar cunoaterea modului de auto-organizare a materiei vii, asamblarea proteinelor i a celulelor.

    Proprietile de lubrefiere ale straturilor cu auto-organizare i natura microscopic a lubrefierii vor fi studiate prin tehnici moderne ca, de pild, microscopia cu fore atomice.

    Provocarea tehnologic: Este necesar s se pun la punct alinierea foarte precis a capului de citire/nscriere pe fiecare particul, care trece prin dreptul su, la viteze mari de rotaie a capului. Se va folosi auto-asamblarea bazat pe acizii nucleici n scopul construirii dispozitivelor nano-electronice. Se va ncerca auto-asamblarea clusterilor metalici n structuri periodice, folosind moleculele de ADN, avnd n vedere c structurile spaiale sunt definite de moleculele de ADN ca un fel de grilaj. Se va cerceta producerea prin reacii chimice a nano-particulelor metalice magnetice, auto-asamblate, la distane controlate. Se va urmri mimarea proceselor de auto-asamblare care au loc n materia vie. Utilizarea auto-asamblrii biosubstanelor pentru inducerea organizrii n sistemele anorganice se va afla n prim-planul cercetrii aplicate.

    Se vor ntreprinde cercetri pentru aplicaiile straturilor cu auto-organizare n tribologie, precum i la senzorii chimici (de gaze) pentru oscilatori piezoelectrici i dispozitive cu unde acustice de suprafa.

    Fenomenele chimice i biochimice la interaciunea particulelor nano-cristaline sunt complet diferite de cele care au loc la interaciunea cu sistemele de dimensiuni micro sau macrocristaline.

    Provocarea tiinific: Studiile asupra modificrilor induse n substane cu toxicitate foarte mare se vor face pe substane care imit structura acestora. Un exemplu gritor este problema neutralizri gazului sarin: O=P-(CH3,F,O)-C-(CH3)2H. S-a artat, c ruperea legturii P=O, responsabil pentru toxicitatea sarinului, este realizat foarte eficient de

  • nano-particulele de oxizi metalici (n particular oxidul de magneziu - comunicare recenta, Sofia 2002, Prof. F. Klabunde, Kansas City). Este necesar un studiu aprofundat privind relaia dintre dimensiunea nano-particulei i reactivitatea specific, privind efectul diferiilor oxizi metalici nano-cristalini. Este necesar nelegerea activitii chimice a nano-particulelor, a absorbiei destructive a gazelor pe particule mici. Forma particulei este, de asemenea, un parametru important al activitii i specificitii nano-particulelor, care trebuie studiat i neles n profunzime. Stabilitatea particulelor n condiii normale trebuie neleas i maximizat. Avnd n vedere descoperirea formei de oxid de magneziu nano-poros, cu structur asimetric unic (Stephen Sulb, Fall MRS Meeting 1998), investigarea efectelor de catalizator selectiv i de filtru sunt necesare pentru nelegerea fenomenologiei nano-structurale.

    Activitatea biocid a nanocristalelor este extrem de puternic. S-a artat c o bacterie poate fi afectat prin: a) rupere n buci, b) atragere i coagulare pe particule, c) absorbia clonei printr-o aciune oxidant, d) aciune distrugtoare asupra sporilor bacterieni. S-a studiat recent aciunea nanoparticulelor asupra bacteriei antraxului. Este nevoie de continuarea i extinderea cercetrilor fundamentale n aceast direcie.

    Provocarea tehnologic: Producerea de pulberi de nanoparticule eficiente, controlul dimensiunilor nanoparticulelor, producia de mas, procedee eficiente de stocare, etc.

    Fenomenele cuantice n nano-firele de siliciu vor permite exploatarea la nivel superior a celui mai utilizat semiconductor n electronica actual, siliciul.

    Provocarea tiinific: Este necesar gsirea unei ci prin care s se depeasc problemele implicate la doparea siliciului pentru cazul dispozitivelor nanometrice. Este de ateptat ca, la scar nanometric, s apar o variaie statistic a concentraiei de dopant. Aceast variabilitate creeaz probleme la proiectarea dispozitivelor electronice, deoarece nu se poate prezice comportarea unui grup mare de astfel de dispozitive. Soluia const n crearea de nano-fire din clusteri de siliciu construii n jurul unui atom dopant. Datorit efectelor cuantice apar rezonane de interferen la micarea electronilor i, n consecin, vrfuri de curent (spikes-uri) la trecerea acestora prin nano-canalul conductor. Aceste aspecte trebuie s fie investigate n profunzime.

    Provocarea tehnologic: La construirea dispozitivului, tehnologia trebuie s aib n vedere fie utilizarea efectului de spikes, fie evitarea acestuia.

    Fenomenele foto-voltaice n materiale organice au atras atenia cercetrilor datorit posibilitilor de producere la scar mare i prin procedee simple de pulverizare (spray) a straturilor fotoconductoare, prin care se obin celule solare moi. Materialele organice electronice sunt solide conjugate, la care att absorbia optic ct i transportul de sarcini

  • electrice sunt dominate de orbitalii parial delocalizai i *. Candidate pentru aplicaii fotovoltaice sunt straturile cristaline sau policristaline de molecule mici (cu masa molecular sub 100), straturile amorfe preparate prin depunere n vid sau din soluie i straturile de polimeri sau oligomeri conjugai.

    Provocarea tiinific: Se impune studiul efectului condiiilor de procesare asupra morfologiei i performanei celulelor solare, gsirea i caracterizarea materialelor noi, precum i mbuntirea condiiilor de lumin, a generrii fotocurentului, a transportului de sarcin, a modului de producere a celulelor i a stabilitii acestora. Este necesar nelegerea funcionrii dispozitivului i gsirea limitelor performanelor sale.

    Provocarea tehnologic: Este legat n special de combinarea materialelor n noi arhitecturi de dispozitiv, manipularea materialelor la nivel molecular, creterea randamentului de conversie a energiei solare, n exploatarea fenomenelor de auto-asamblare i de modificare a interfeelor.

    Interaciunea dintre biosubstane i materiale anorganice st la baza aplicaiilor biomedicale ale materialelor avansate.

    Provocarea tiinific: Interfaa dintre celulele osoase i materialul ortopedic/dental, de obicei metalic, nu este un simplu contact ci o interfa celul-material dinamic i complex. Datorit proceselor de sterilizare, expunere la aer i la mediul biologic, suprafaa unui implant medical este un strat de oxid, deci compoziia suprafeei difer de cea a interiorului. Proteinele vor fi absorbite rapid pe stratul de oxid i se va crea un strat de proteine cu compoziie variabil n timp. Dac se formeaz receptori-liganzi potrivii i n numr mare, semnalele vor fi transmise nucleului celulei prin cascade de reacii chimice i astfel vor fi reglate funciile celulei (aderen, difereniere, depunere de matrici, etc.). O complet nelegere a modului n care celulele interacioneaz cu materialele avansate este o necesitate crucial pentru dezvoltarea unor noi metode pentru controlul biomaterialului celular, eventual al esuturilor. Este nevoie de noi metode analitice pentru investigarea modificrilor superficiale la interfaa cu implantul anorganic i a rspunsului biologic la aceste modificri.

    Este necesar studiul aprofundat al biosticlelor i bioceramicilor pentru a explica faptul c ele pot accelera formarea esutului osos, astfel nct s previn cderea dinilor i s stimuleze repararea oaselor dup o operaie chirurgical.

    Se vor cuta macromolecule capabile s interacioneze inteligent cu esutul viu. Se va urmri posibilitatea de a comanda celula prin calculator i senzori conectai prin contacte speciale ntre macromoleculele biologice i cele sintetice. Se va pune la punct sinteza biomimetic. Se va folosi ingineria genetic pentru a determina ca unele plante s produc polimeri importani din punct de vedere tehnic.

  • Provocarea tehnologic: Vor fi avute n vedere noi procedee tehnologice bazate pe cunoaterea interaciilor celul-material, pentru implanturile dentale i ortopedice.

    Chimia suprafeelor implanturilor se va controla prin crearea de micro-contacte, adic inducerea unei distribuii spaiale a biomoleculelor care s permit obinerea unui rspuns celular dorit. Este nevoie de dezvoltarea proceselor litografice si de printare a microcontactelor cu scop medical.

    Se vor pune la punct procedee de obinere a firelor de paianjen, utilizabile la jachete anti-glon, de obinere pe cale macromolecular de noi catalizatori, de medicamente, de senzori pentru monitorizarea mediului, de membrane sofisticate.

    Ingineria cristalin reprezint un procedeu complex de obinere de materiale noi folosind blocuri de construcie sau sintoni supramoleculari. Este o parte integrant a chimiei supramoleculare. Problema prezicerii structurale devine o problem de arhitectur de reea similar jocului LEGO. Structurile cristaline se consider ca fiind reele n care moleculele sau ionii sunt noduri de reea iar interaciile inter-moleculare i relaiile de coordinaie reprezint interconexiunile nodurilor. Proiectarea unor reele uni, bi sau tri-dimensionale se face prin combinarea nodurilor i conectorilor.

    Provocarea tiinific: Crearea de reele atomice noi, de reele complexe metal-ligand. Proiectarea de materiale nanoporoase. Strategia obinerii porilor pe baza propagrii simetriei moleculare n cea cristalin prin forele direcionale, tari, poate fi nlocuit cu noi strategii i anume innd seama de principiile de mpachetare a materialelor amorfe. Proiectarea unor noi materiale optice, magnetice i nanostructurate.

    Provocarea tehnologic: Producerea efectiv a unor materiale noi cu proprieti predictibile. Producerea de medicamente noi. Producerea de materiale nanoporoase cu pori de dimensiune i form controlat. Producerea de materiale optice, magnetice, etc.

    Ingineria formelor complexe ale carbonului. Fullerenele, n general, i nano-tuburile de carbon furnizeaz cteva direcii de cercetare fundamentale i perspective aplicative promitoare.

    Provocarea tiinific: Proprietile chimice, transportul electronic, emisia n cmp, proprietile mecanice, sunt insuficient cunoscute. Nu exist o nelegere clar a mecanismului de cretere la scar microscopic. Astfel, prin descompunerea termic a hidrocarburilor se pot forma, n mod surprinztor, nc neexplicabil, nano-tuburi n form de spirale (nano-arcuri). Nanostructurile de carbon nu apar niciodat n form pur. Nu se poate controla diametrul i elicitatea nano-tuburilor. Conducia n nano-tuburi este cuantizat. Rezultatele cercetrilor de pn acum n ceea ce privete tipul conduciei sunt contradictorii: este transportul electronic n nanotuburi balistic sau difuziv ? este comportarea electronilor de tip lichid

  • Luttinger (gaz de electroni puternic corelai) sau de tip Fermi (cvazi-particule care interacioneaz slab) ?

    Provocarea tehnologic: Se preconizeaz dezvoltri rapide n mai multe direcii:

    Crearea de fire supraconductoare prin umplerea nano-tuburilor cu molecule de fullerene C60 sau cu fullerene cu atomi metalici nglobai (de ex. lantan n fullerena C82).

    Folosirea nano-tuburilor pentru manipularea la scar nanometric, n ingineria ADN, a proteinelor, n microscopia cu fore atomice, etc.

    Crearea de materiale compozite cu armturi de carbon. Se vor face cercetri referitoare la utilizarea fullerenelor ca lubrefiani de calitate superioar, microcatalizatori i supori de medicamente cu int i descrcare controlat n timp.

    Electronica de spin prezint un domeniu complex cu potenialiti aplicative. Scopul esenial al electronicii de spin sau spintronicei este de a folosi spinul particulelor elementare pentru a transporta semnale i a prelucra informaia.

    Provocarea tiinific: Cercetrile fundamentale asupra transportului de spin n materiale nano-structurate, dei sunt importante, nu au epuizat nc fenomenologia spinului electronic. Este nevoie de generarea, meninerea i propagarea spinilor cu timp lung de via, n semiconductori. Pentru a combina spinul i sarcina, sau pentru a obine funcionaliti noi, trebuie s se reueasc injectarea spinilor n heterostructuri semiconductoare, pe cale electric.

    Provocarea tehnologic: Crearea de multistraturi cu magnetorezisten gigant (cu curent care s circule paralel cu interfaa) va fi util pentru nlocuirea permalloyului din capetele de citire ale dispozitivelor de nregistrare magnetic. Studiul fenomenului de injecie de spin de la un feromagnet la un metal nemagnetic va permite producerea tranzistorilor bipolari magnetici de nalt performan. Tranzistorii cu efect de cmp, cu poart metalic (la care poarta este un strat magnetic cu magnetorezisten gigant) pot fi utili ca senzori de cmp deoarece curentul de colector se comport ca o funcie exponenial de rezistena porii. Ei sunt importani i din punct de vedere al cercetrii fundamentale pentru faptul c electronii fierbini, care depesc barierele Schottky, evideniaz structura de benzi dependent de spin peste nivelul Fermi. Memoriile magnetorezistive pot fi mbuntite pe baza jonciunilor tunel ntre dou straturi feromagnetice, care prezint salturi mari i abrupte ale rezistenei cnd magnetizarea straturilor este comutat de la orientarea paralel la cea antiparalel.

  • Se caut noi materiale capabile s injecteze spini, cu eficien mare de injecie i utilizabile la temperatura camerei. Este nevoie s se stpneasc tehnologia de preparare a straturilor subiri de CoxTi1-xO2, s fie controlat difuzia cobaltului n anataz (TiO2) i tendina de formare a fazelor secundare Co-Ti-O.

    Electronica molecular este electronica superminiaturizat, dezvoltat la nivelul unei molecule. Baza acestei electronici este comutatorul molecular precum i contactele intrare-ieire ale acestuia. Un comutator molecular necesit bistabilitatea unei molecule (sau ion), care permite crearea unei memorii binare. Comutatorul trebuie s fie perfect controlabil, reversibil i citibil la nivel molecular. n electronica molecular se are n vedere molecula ca dispozitiv electronic auto-coninut. Viteza de comutare i integrarea tridimensional pot fi, astfel, aduse la limitele lor maxime. Problema fiabilitii n electronica molecular este un punct cheie al cercetrilor i o mare provocare tiinific i tehnologic. Un standard nalt de fiabilitate a dispozitivelor moleculare integrate se obine dac sistemul electronic este astfel proiectat nct s funcioneze similar cu sistemul neo-cortical (creierul). Se tie c imaginile sunt memorate n creier sub form de holograme. De aceea, chiar n condiiile distrugerii unui numr apreciabil de celule nervoase superioare, holograma va fi meninut, dei cu o rezoluie mai sczut. Astfel, distrugerea (sau nefuncoalitatea) unei fracuni din celulele electronice, cauzat de diferii factori (radiaii, cderi accidentale, imperfeciuni tehnologice, etc.) nu va mpiedeca lucrul sistemului electronic ca un ntreg.

    Provocarea tiinific: Descoperirea de noi comutatori ntre dou stri de energie diferit: schimbri cis/trans i schimbri ale numrului de coordinaie, schimbri ale spinului (up/down, high/low), transfer electronic (reacii redox). Descoperirea de noi comutatori ntre stri de aceeai energie: schimbri ale poziiei electronilor localizai, izomeri optici, materiale cu valen mixt. Studierea efectelor stimulilor la bascularea comutatorilor moleculari i nscrierea i citirea informaiei: radiaiile electromagnetice, cmpurile electrice i magnetice, reaciile chimice. Fenomenul de spectral hole burning i proprietile optice neliniare vor fi studiate n noi materiale utilizabile n scopurile electronicii moleculare.

    Studiile de chemionic se vor concentra asupra interaciunii ionilor prin care se acioneaz comutatorii reprezentai de moleculele bistabile.

    Provocarea tehnologic: Producerea practic a comutatorilor moleculari bistabili trebuie s aib n vedere, pe de o parte, stabilitatea lor i, pe de alt parte, erorile care apar la stabilirea unei stri moleculare precise i care pot fi cauzate de: fluctuaiile cuantice, disiparea cldurii, calitatea comenzii de acionare (contactele intrare/ieire). Degradarea termic i fotochimic a comutatorului prin ruperea legturilor interatomice, precum i produsul cuantic subunitar reprezint provocri tehnologice

  • majore. Se vor exploata efectele cuantice i combinaiile de proprietti de material.

    Ingineria la scar atomic i molecular necesit crearea de fire (conductori) moleculari. Se va avea n vedere proiectarea i sintetizarea de molecule conductoare (ca, de pild, moleculele de porfirin), care, unite n lanuri, pot servi la legarea nanodispozitivelor electronice.

    Electronica polimeric: A fost sugerat odat cu descoperirea polimerilor organici conductori n anul 1977. Plasticele care conin electroni liberi sunt cele care au legturi simple i duble, adic sistemele conjugate. Un exemplu este poliacetilena dopat. Electronica plastic (polimeric) are impact puternic n tehnologia informaiei.

    Provocarea tiinific: Crearea de noi sisteme polimerice conductoare. Cercetarea proprietilor de electroluminescen ale acestora. Cercetri asupra creterii eficienei emisiei de lumin, a mbuntirii timpului de via, generarea de culori pure. Crearea de polimeri semiconductori. Dezvoltarea tranzistorului polimeric cu efect de cmp. Se va cuta rspunsul la ntrebarea: Care este rolul organizrii supramoleculare a polimerului asupra proprietilor sale electronice ? Este important de a nelege relaia dintre morfologie, mobilitate i emisia de lumin. Un studiu necesar este cel legat de dezordine i interfee precum i de fenomenele de degradare (mbtrnire). Este important studiul extensiv al influenei cmpului electric n procesul de dopare. Prin controlul direciei de dopare se pot controla proprietile conductoare i se poate comuta un polimer din starea conductoare n cea izolatoare i invers. Studiul efectelor de comutare n polimeri optici neliniari este foarte necesar, la fel ca i cel al interferometriei pe polimeri. Se va investiga comportarea particulelor de polimeri cu dimensiuni sub-micronice. Se vor studia compozitele material plastic particule de oxizi nemetalici i metalici.

    Materialele optice neliniare i modific indicele de refracie, dac sunt plasate ntr-un cmp electric, magnetic sau optic. Ele pot fi utilizate ca medii active n dispozitive optice i n optica integrat, pentru controlul razei de lumin. Se consider c polimerii organici vor deveni cele mai atractive materiale cu proprieti neliniare. Materialele optice neliniare pot fi fabricate sub form de: a) monocristale, b) straturi Langmuir-Blodgett, c) soluii solide de molecule neliniare n matrici polimerice, d) polimeri cu lanuri principale, n care grupele active sunt ncorporate n scheletul polimerului, e) polimeri cu lanuri laterale, cu molecule active ataate scheletului polimeric printr-un distanor flexibil.

    Se va urmri obinerea de ecrane cu polimeri electroluminesceni, flexibile i de arie mare, prin procedeul simplu de tiprire. Unul dintre scopurile de perspectiv este producerea unei diode laser cu polimer.

    Polimerii organici vor fi folosii n optica integrat, pentru producerea de ghiduri de und, prin depuneri de tip dipping i spin coating.

  • Trei clase de polimeri optici neliniari, cu neliniariti cvadratice, vor fi investigate n profunzime: cristale lichide cu lanuri laterale, polimeri feroelectrici i polimeri amorfi. Polimerii amorfi sunt extrem de promitori iar proprietile lor optice neliniare trebuie cercetate cu prioritate.

    n categoria materiei moi (soft matter) intr aa-numitele geluri inteligente. Sunt materiale alctuite dintr-o reea polimeric ce reine o matrice de solvent (ap). n funcie de intrarea i ieirea solventului, gelul se dilat sau se contract. Modificrile de volum pot fi controlate cu ajutorul unui cmp electric. Gelurile pot fi aplicate, de exemplu, la controlul curgerii unui fluid, prin fabricarea unor supape pe baz de geluri. Este necesar o bun cunoatere i stpnire a fenomenelor de umflare i gsirea de sisteme noi, care s maximizeze efectul deja observat.

    Cristalele coloidale sunt structuri periodice tridimensionale formate din particule mici suspendate n soluii. Ele pot fi utilizate ca filtre optice, comutatori, materiale cu benzi interzise fotonice, i reprezint n acelai timp modele de studiu pentru fenomenele de cristalizare i topire. Aplicaiile cristalelor coloidale sunt nc restrnse datorit dificultilor de realizare a cristalelor mari, cu orientare controlat. Epitaxia coloidal poate deschide noi ci pentru fabricarea de cristale coloidale.

    Provocarea tehnologic: Producerea de componente electronice bazate pe polimeri i circuite integrate cu polimeri. Crearea de diode luminescente (LED) cu polimeri pentru ecrane TV i de ferestre inteligente, care opresc sau permit trecerea luminii n funcie de luminozitatea extern sau de temperatura interioar. Dezvoltarea de microprocesoare rapide i de mare capacitate prin exploatarea proprietilor electronice la limita scrii moleculare a dimensiunilor de dispozitiv. Crearea i optimizarea comutatorilor optici neliniari. Crearea modulatorilor de lumin spaiali pentru procesarea paralel a imaginilor. Integrarea monolitic a unei diode laser de infrarou cu un ghid de und multistrat polimeric. Dezvoltarea interferometrului integrat cu polimeri i a ghidurilor de unde n canal monomod. Pe baza efectelor ce se pot obine n particulele polimerice ce pot fi ncrcate electric, se are n vedere dezvoltarea unei noi generaii de doturi cuantice. Cristalele lichide vor fi aplicate n display-uri. Se va exploata proprietatea de orientare controlat pe suprafee de carbon DLC (diamond-like carbon).

    Structurile cuantice. Compuii semiconductori din clasa AIII BV sunt materiale importante pentru aplicaiile de nalt performan care depesc limitele fizice ale siliciului. Anumite funcii pot fi realizate numai cu tehnologia AIIIBV. O nou generaie de dispozitive a devenit posibil prin dezvoltarea tehnicilor epitaxiale. Producerea de heterostructuri a deschis calea unei noi tehnologii de material denumit ingineria de band interzis. Se exploateaz n acest scop structurile complexe ternare sau cuaternare cu interfee abrupte sau gradate.

  • Provocarea tiinific: Studiul sistemelor semiconductoare bazate pe nitrura de galiu combinat cu alte elemente din clasele III i V. Gsirea de noi structuri cuantice. Dezvoltarea de noi metode pentru producerea structurilor cuantice simple i multiple. Se va studia adaptarea materialelor epitaxiale III-V la siliciu (epitaxia GaAs/Si). Dei diferenele de constant de reea sunt foarte mari, este extrem de tentant obinerea unei combinri ale proprietilor de material III-V cu imensa capacitate de integrare microelectronic a siliciului. Epitaxia heterostructural va fi un domeniu de vrf foarte promitor pentru aplicaii.

    Provocarea tehnologic: Semiconductorii III-V vor fi optimizai n vederea producerii de diode cu emisie n diverse zone ale spectrului (de la rou la UV). Se va urmri creterea randamentului cuantic. Prin combinarea diodelor luminescente n rou, albastru i verde se va avea n vedere obinerea de LED-uri performante (structuri cu groap de potenial unic - single quantum well) cu eficien de 20-30 lm/W (actualmente posibil !), ceea ce va permite nlocuirea lmpilor cu incandescen, n scopul economisirii drastice a energiei convenionale. Se va maximiza capacitatea de stocare a discurilor magnetice i optice printr-o focalizare avansat a luminii de lungime de und mic (diodele n albastru sunt candidate n acest scop). Se va pune la punct ingineria de band interzis ntre limitele 6,2 eV pentru AlGa i 2,0 eV AlInGaN).

    Epitaxia heterostructural va trebui s devin o parte integrant a procesului de producere a dispozitivelor micro i nano-electronice. Epitaxia III-V pe siliciu va fi urmrit cu tenacitate.

    Microclusterii i doturile cuantice. Sunt agregate mici de atomi care constitutie o faz distinct a materiei solide. Proprietile lor sunt deosebite de cele ale materiei n stare masiv. Sistemele de atomi pot avea compoziie simpl sau complex, iar varietatea elementelor cuprinse d posibilitatea unor vaste cercetri de material, cu implicaii neprevzute. n ultimii ani, cercetarea clusterilor a condus la apariia unei tiine interdisciplinare i a ridicat ntrebri fundamentale asupra naturii suprafeelor moleculare. Specialitii consider c tiina microclusterilor este relevant nu numai pentru fizica strii condensate, dar i pentru electronic i astrofizic.

    Provocarea tiinific: Clusterii unor metale absorb puternic lumina, datorit densitii mari a electronilor lor de valen, a raportului mare suprafa/volum (deci muli electroni se afl la suprafa) i a uurinei cu care norii electronici ai metalului pot fi distorsionai sau polarizai. Lungimile de und absorbite sunt caracteristice. Clusterii pot absorbi mai mult de un foton i, n consecin, se manifest puternic n procesele foto-chimice. Dac sunt suspendai ntr-un mediu transparent ei pot constitui detectori de radiaie eficieni, filtre de lungimi de und sau elemente ntr-un sistem de memorie optic. Este necesar o cunoatere aprofundat a structurii i

  • proprietilor clusterilor att sub form liber ct i nglobai n matrici cristaline sau sticloase.

    Proprietile speciale, ca, de pild, ncrcarea negativ a ionilor metalici i a micilor clusteri n cristale, interaciunea dintre clusteri, clusterii n starea coloidal, efectul luminii asupra clusterilor, transparena materialelor cu clusteri, etc. sunt subiecte ce trebuie s fie abordate cu prioritate.

    tiina trebuie s rspund la urmtoarele ntrebri: Ct de mici trebuie s fie agregatele de particule pentru a pierde proprietile materialului masiv ? Cum se reconfigureaz atomii dac sunt eliberai de constrngerile materialului din jur ? Dac e vorba de un metal, ct de mic trebuie s fie clusterul pentru ca s dispar efectul electronilor liberi care dau conductivitatea metalic ? Oare clusterii trec treptat de la o structur stabil la alta prin simpla adugare de atomi sau sufer transformri radicale n procesul de cretere ? Dac un cluster nseamn suprafa covritoare, atunci cum se pot transpune conceptele legate de suprafa de la masiv la cluster i invers ?

    nelegerea procesului de auto-organizare este critic pentru controlul caracteristicilor doturilor cuantice utilizabile n dispozitivele cu emisie laser, la care lungimea de und emis depinde de dimensiunea doturilor. Principiile nucleerii i dezvoltrii doturilor sunt o provocare a nano-tiinei. Ce se ntmpl cu doturile cnd temperatura, compoziia materialului i tensiunile mecanice din material se modific ? Provocatoare este eventuala demonstraie c o parte din fizica materialelor cu insule de compoziie este aplicabil doturilor.

    Reacia dintre nanoparticul i mediul biologic este de maxim importan. Efectele de neutralizare a otrvurilor i distrugerea agenilor patogeni trebuie studiate cu prioritate, datorit ameninrii terorismului global.

    Provocarea tehnologic: Datorit puternicii reactiviti i selectiviti a aglomerrilor de atomi, acetia vor fi aplicai n cataliz i ecologie, n combaterea terorismului i aprarea civil.

    Nano-optica i nano-optoelectronica. Electronica viitorului va fi optoelectronica. Se va avea n vedere att miniaturizarea dispozitivelor optice i optoelectronice ct i integrarea acestora n circuite optoelectronice complexe.

    Provocarea tiinific: Optica molecular va fi n atenia cercetrilor. Se vor investiga proprietile polimerilor optici neliniari. Se vor studia efectele de comutare n polimeri. Se vor cerceta materiale i efecte optice specifice legate de despicarea i reformarea unui fascicul de lumin, de cuplajul optic i de transmisia luminii (fibre optice). Se va ncerca cuplarea dispozitivelor molecular-electronice cu cele optic-electronice. Este nevoie de studii privind stabilitatea termic a polimerilor neliniari. Se va urmri

  • creterea temperaturii de nmuiere, co-polimerizarea controlat, etc. Se vor cuta i studia noi efecte optice n reelele de microlentile.

    Provocarea tehnologic: Se vor dezvolta tehnicile de manipulare la scar molecular i de asamblare molecular pn la limitele maxime spaiale, spectrale i de timp. De la ingineria molecular se va trece la dispozitivele optice integrate, cu accent pe cele bazate pe polimeri optici neliniari. Se va ncerca obinerea de dispozitive pentru generarea armonicii a doua n intervalul spectral verde-albastru, precum i modulatori electro-optici bazate pe polimeri optici neliniari. Se vor dezvolta noi dispozitive integrate pentru reele de comunicaii. Se vor cerceta i produce comutatorii termo-optici de putere foarte mic. Este necesar crearea unui tranzistor cu efect de cmp (FET) din polimeri cu mobilitate i raport intrare/ieire suficient de mari pentru a obine viteze mari de comutare n circuitele logice, care s permit controlul dispozitivelor cu ecrane cu matrici active din LED-uri polimerice, de nalt rezoluie. Se va urmri producerea circuitelor logice cu polimeri.

    Sistemele integrate pentru vedere vor reprezenta o parte integrant a viitoarelor sisteme de vedere inteligente. Prin implementarea algoritmilor de prelucrare a imaginii pe un singur chip, se vor realiza sisteme compacte, care vor nlocui pe cele din CCD-uri.

    Sa va dezvolta tehnologia reelelor de lentile cu aplicaii n fotografia integral, a microreelelor de lentile pentru sisteme de cuplare i pentru conectori n procesoarele optice, pentru focalizarea luminii n sisteme de foto-detectori, pentru copiatoare, etc.

    Structurile de neechilibru sunt sisteme care se obin n stare solid n condiii de nechilibru. La viteze mari de rcire a topiturilor (106 grad/s) pot fi ngheate structuri noi, iar compoziiile conin faze aflate dincolo de limita echilibrului termodinamic.

    Provocarea tiinific: Obinerea de noi faze de neechilibru, n stare cristalin sau sticloas i nelegerea strii de nechilibru. Proprietile noi, unele complet inedite, legate de rezistena mecanic, duritate, proprieti electrice i magnetice, rezistena la coroziune, activitatea catalitic, impun un studiu de anvergur pentru fiecare sistem preparat.

    Provocarea tehnologic: Aplicarea fazelor de neechilibru, prin combinarea duritii i anti-corozivitii, la scule achietoare, la sape de foraj, la sisteme care opereaz n condiii extreme. Combinarea proprietilor magnetice cu duritatea sugereaz utilizarea la benzi magnetice. Sticlele feromagnetice se magnetizeaz uor datorit micrii uoare a pereilor magnetici i, de aceea, se are n vederea aplicarea lor la transformatoarele electrice de putere, cu pierderi n miez foarte mici.

    Materia solid sub form dezordonat (amorfii i sticlele). Dei starea solid dezordonat este bine cunoscut de mult vreme, potenialul ei tiinific i aplicativ rmne deosebit de nalt iar interesul legat de integrarea la scar nanometric este covritor.

  • Provocarea tiinific: Comportarea sticlelor este nc necunoscut, mai ales n domeniile n care devin candidate serioase pentru aplicaii. Sticlele semiconductoare, ca de pild cele calcogenice, au posibiliti enorme de aplicare n electronic i optoelectronic. Nu se tie dect foarte puin n legtur cu separrile de faze. Este neneles fenomenul de separare de bule la procesarea sticlelor. Calitatea optic impune controlul multor parametri reologici i mecanici. Se are n vedere obinerea i studierea compozitelor calcogenice sticl-microcristal, numite vitroceramice de infrarou. Ele vor reprezenta viitoarea generaie de materiale transparente n infrarou, fie sub form masiv, fie sub form de fibre.

    Sticlele calcogenice cu proprieti optice deosebite (opace n vizibil i transparente n infrarou) au devenit competitive pentru detecia n zona infraroie medie a spectrului electromagnetic. n comparaie cu cristalele de germaniu, sticlele sunt ieftine i pot fi modelate n forme i dimensiunile dorite, pentru a produce lentile IR. Transformate n fire ele reprezint o nou generaie de ghiduri de unde n domeniul 3-12 microni. Aceste materiale deschid calea dezvoltrii de senzori de temperatur, chimici i biochimici. Se are n vedere utilizarea fibrelor calcogenice ca vrfuri foarte fine pentru microspectroscopia de cmp apropiat (cu baleiaj).

    Sticlele calcogenice cu nano-cristalite nu au rival fa de starea sticloas pur, n ceea ce privete proprietile termo-mecanice i de aceea investigarea acestor sisteme i dezvoltarea de sisteme noi este foarte important. Pn n prezent prepararea sticlelor complexe s-a fcut cu materiale de slab puritate. Se ateapt evidenierea puternic a efectului de dopare n sticle la folosirea substanelor componente de puritate foarte nalt. Este foarte important studiul fenomenelor de dopare n comparaie cu cazul siliciului (germaniului). Este important s se neleag stabilitatea sticlelor metalice cu Zr, Ti, Ni, Cu, Be.

    Provocarea tehnologic: Dezvoltarea de dispozitive electronice i optoelectronice pe baz de sticle, producerea de noi fibre de infrarou. Crearea de noi diode i tranzistori i de memorii pentru CD, DVD i pentru computere super integrate. Se vor dezvolta noi senzori chimici: pentru poluani lichizi, pentru gaze, pentru umiditate, etc. Se preconizeaz dezvoltarea de chipuri din siliciu amorf halogenat.

    Se vor dezvolta aplicaiile sticlelor metalice i ale matricilor sticloase compozite. Se va exploata oportunitatea strii lichide subrcite pentru producerea de componente metalice cu foarte mare rezisten mecanic, rigiditate, rezisten la oboseal, la uzur i la coroziune.

    Biotehnologia siliciului combin chimia siliciului cu biotehnologia n scopul dezvoltrii de noi materiale bazate pe organo-siliciu mijlocite biologic. Aceste materiale pot fi utilizate ca senzori i dispozitive pentru diagnostic, sisteme de eliberare controlat a medicamentelor n organism, produse pentru ngrijirea corpului i cosmetic.

  • Provocarea tiinific: Investigarea comutatorilor electronici incorporabili n senzori, studiul proprietilor fotonice ale sistemelor siliciu-biocompui. Crearea i investigarea de materiale noi.

    Provocarea tehnologic: Fabricarea nano-sistemelor enzimatice. Utilizarea rutelor biocatalitice. Se va merge spre integrare i compatibilizare. Se va urmri creterea fiabilitii i stabilitii n timp a dispozitivelor.

    Biopolimerii reprezint un domeniu extrem de important aflat la interfaa chimiei, biologiei i fizicii.

    Provocarea tiinific. Investigarea membranelor polimerice mixte, orientate, va permite o abordare util a modelelor de celule stabilizate precum i caracterizarea proprietilor celulare. Este important simularea interaciunilor biologice a cror cunoatere complet este esenial pentru medicin. Este necesar nelegerea funciunilor membranei celulare i a interaciunilor celul-celul. Se va urmri nelegerea specificitii i eficacitii distrugerii tumorilor celulare de cte limfocite. Fenomenele legate de conducia bidimensional, fotoconducie i de arhitectura necentrosimetric vor fi n atenia cercetrilor fundamentale.

    Se va investiga procesul prin care ADN transmite i prelucreaz informaia, n scopul crerii computerelor cu ADN. Ele lucreaz n sistemul paralel, sunt extrem de eficiente ca consum de energie i stocheaz cantiti imense de informaie. Dezvoltarea biomimeticii, ca tiin, va fi esenial.

    Provocarea tehnologic: Se are n vedere producerea de purttori de medicamente, sisteme catalitice i biomimetice. Se vor face cercetri n scopul producerii de dispozitive biopolimerice pentru transferul de energie. Straturile lipidice polimerizate cu structur determinat pot fi utilizate n scopul separrii diferitelor substane. Se preconizeaz crearea de hiperfiltre i de membrane composite pentru separarea gazelor. Se vor face cercetri aplicative n scopul mimrii funciunilor celulare. Se vor sintetiza modele de membrane i celule. Modelele de pn acum pentru interfaa gaz-ap, pentru membrane moleculare lipidice i pentru lipozomi sferici sunt mai puin stabile dect sistemele naturale. Se va utiliza polimerizarea cu radiaii ultraviolete, insertarea de diferii polimeri. Se va ncerca depirea performanelor biopolimerilor naturali.

    Se va dezvolta tehnologia computerelor cu ADN pentru controlul sistemelor biologice. Moleculele biologice vor fi folosite pentru scopuri nebiologice.

    Fluidele complexe. Se refer la materia moale (soft matter), care este bazat pe polimeri, surfactani, cristale lichide i particule n stare coloidal.

    Provocarea tiinific: nelegerea fenomenelor specifice ca, de pild, de ce o aciune chimic slab conduce la modificri drastice ale proprietilor mecanice ale materiei moi. Studiul polimerilor flexibili n

  • soluii. Studiul surfactanilor, mecanismele de asamblare, i modelarea formrii structurilor complexe, incluznd prile eseniale ale materiei vii. Investigarea fazelor smectice i a posibilitii de obinere a noi forme de materie, ca de pild materia spongioas. Formarea i controlul straturilor de tip Janus grains din surfactani permeabili. Cercetarea fazelor fero-smectice i studiul ferofluidelor. Studiul multistraturilor complexe, ca, de pild, combinaia bistrat-ferofluid-bistrat (club sandwich), care prezint proprieti specifice la aplicarea unui cmp magnetic (instabiliti ondulatorii). Dezvoltri teoretice legate de corespondena dintre conformaiile unui lan polimeric flexibil i traiectoriile unei particule nerelativiste. nelegerea analogiei dintre fazele smectice i supraconductori (n particular faza A*).

    Provocarea tehnologic: Prducerea fazei spongioase prin controlul microemulsiilor. Folosirea sistemelor "club-sandwich pentru detectarea cmpurilor magnetice slabe: ~30 gauss. Producerea de surfactani permeabili din sticl poroas. Utilizarea fluidelor inteligente n mainile moleculare.

    Sistemele microporoase. Sunt sisteme abordate relativ recent. Materialele microporoase cunoscute sunt bazate pe siliciu, aluminiu i fosfor. Porozitatea acestora este legat de barierele cinetice ce provin din legturile tari Si-O, Al-O i P-O. Ar putea exista i alte sisteme stabile n forma microporoas. Candidai posibili ar fi compuii de bor (boraii), care conin ioni de metale de tranziie Cr3+, Rh3+ stabilizai prin efecte de cmp ligand. O sit molecular de titano-silicai, descoperit recent, conine Ti4+ ca element structural discret i nu ca substituent al siliciului tetra-coordinat. Materialelele au aplicaii importante ca separatori moleculari i supori de catalizatori.

    Spumele metalice sunt metale poroase, care, n ciuda densitii sczute pot avea rezistene mecanice de pn la zece ori mai mari dect n cazul metalelor normale. S-a nlocuit oelul cu spume de greutate njumtit dar cu rezistene mecanice de 6 ori mai mari. Se studiaz spumele metalice de aluminiu pentru aplicare la construcia automobilelor. O alternativ la spumele metalice este dat de aa-zisele metale sintactice, produse prin ncorporarea de microsfere . Magneziul sintactic combin rezistena mecanic cu capacitatea de a absorbi energia (fapt important pentru atenuarea efectelor n cazul ciocnirilor de automobile). Magneziul celular produs prin turnarea unor sfere ceramice goale n metal conduce la proprieti mecanice superioare spumei de aluminiu.

    Domeniul spumelor i cel al materialelor solide poroase genereaz o perspectiv fascinant pentru interfaa dintre cercetarea fundamental i aplicat. Siliciul poros reprezint o stare morfologic a siliciului cu mari perspective aplicative. Siliciul granular cu granule cu oxidare controlat este un nou material provocator.

  • Provocarea tiinific: Care este relaia dintre proprietile fizico-chimice i formarea golurilor interioare, a porilor ? Care este rolul legturii chimice ? Cum se formeaz sistemul de bule ? Termodinamica spumei este puin cunoscut. Relaia dintre proprietile mecanice i diametrul bulei de spum nu este bine cunoscut.. Care este legtura dintre golul molecular i cel la nivel macroscopic ? Problemele fundamentale ale izotropiei i anizotropiei spumelor sunt extrem de excitante.

    Separarea oxigenului de azot n atmosfer este un vis al tiinei membranelor. Care este baza tiinific a controlului porilor cu ajutorul radiaiei ultraviolete ?

    Investigarea aprofundat a proprietilor sistemelor poroase, extinderea fenomenologiei de la siliciu la alte sisteme, producerea de sisteme poroase cu tipuri diferite de pori (form, dimensiune, orientare) reprezint provocri tiinifice importante. Aspectele fundamentale ale interaciunii cu materialul biologic i esuturile sunt importante. Biodegradabilitatea siliciului poros este o proprietate extrem de important pentru medicin iar nelegerea ei este deficitar.

    Provocarea tehnologic: Trebuie sintetizate noi sisteme microporoase. Se vor dezvolta cercetrile ctre controlul dimensiunii, formei i distribuiei porilor din materialele poroase. Zeoliii sunt folosii nu numai drept solide microporoase dar i ca precursori versatili pentru sinteza unor ceramici de nalt performan, iar stpnirea proceselor de producie strict controlate este de importan major.

    Se vor implementa metode noi, rafinate, pentru producerea i controlul porilor la scar nano i mezo-scopic, pentru reele de senzori, nano-reactori, dispozitive fotonice i pe baz de fluide, straturi cu constant dielectric mic, precum i reele de difracie optic din silice rezistent la degradarea laser.

    Producerea unor mase active eficiente i uoare n acumulatorii electrici cu plumb trebuie avut n vedere pentru viitorul apropiat. Spumele bazate pe aur i pe argint vor oferi noi oportuniti pentru arta decoarativ bijuterii. Spumele metalice vor putea fi folosite pentru structuri rezistente i uoare n construcii industriale, ascensoare, etc. Efectele de drenaj i omogenitatea spumelor sunt probleme tehnologice ce trebuie rezolvate n cel mai scurt timp.

    Se vor dezvolta sisteme de eliberare controlat a medicamentelor n organism bazate pe siliciul poros. Se vor produce chipuri cu biosenzori din siliciu poros. Se are n vedere dezvoltarea cercetrilor tehnologice pentru producerea chip-urilor integrate pentru medicin (controlul medicaiei i medicaia propriu zis).

    tiina i ingineria materialelor compozite. Compozitele sunt materiale n care se mbin dou faze complet diferite: fie o faz cristalin i una amorf, fie o matrice amorf sau cristalin n care se introduce o a

  • doua faz sub form dimensional diferit: de exemplu, fibre, plci, clusteri, aglomerri fractale, etc.

    Provocarea tiinific: nelegerea fenomenologiei unui material neomogen, cu bariere structurale i electronice abrupte, este deosebit de actual. Matricile cu nanotuburi de carbon au proprietti fizice foarte diferite de cele ale componenilor. n compozite efectele sinergice trebuie investigate n scopul maximizrii acestora. Problemele fundamentale ale interaciunilor fizice i chimice se afl pe prim plan i stabilirea legitilor este important pentru toate celelalte domenii ale strii condensate a materiei. Relevana asupra aplicaiilor este remarcabil.

    Materialul plastic amestecat cu oxidul de siliciu conduce la un material cu rezistena mecanic de cteva ori mai mare dect cea a polimerului. Proprietile excepionale de disipare a energiei mecanice sunt deosebit de importante pentru utilizare la ocuri (ciocnirile vehiculelor, lovirea cldirilor la cutremure, etc.). Proprietile de absorbie i disipare a energiei mecanice sunt legate de procesele care au loc la scara nanometric (dimensiunea particulelor de silice este de ordinul a 50 nm iar microporii au circa 2 nm diametru. Compozitele sunt uoare, pot fi dure ca oelul i rezistente la cldur. Plasticele ranforsate cu fibre sunt utile n construcia ambarcaiunilor.

    Provocarea tehnologic: Exploatarea proprietilor fundamentale ale materialelor compozite pentru crearea de structuri macroscopice cu proprieti superioare: rezistente la traciune, la oc, uoare, elastice, etc.

    Materialele cu gradient funcional sunt materiale noi la scar nanometric, bazate pe combinaii de componente cu proprieti radical diferite. Proprietile acestor materiale sunt determinate, n mare msur, de interfeele dintre componente, la care gradienii de compoziie sunt mari. Cele dou tipuri de astfel de materiale sunt: a) materiale bazate pe straturi subiri i multistraturi de compoziii foarte diferite i b) materiale bazate pe nanoparticulele unui component nglobate n matricea altuia.

    Provocarea tiinific: Este nevoie de cunoaterea structurilor cu diferite dimensiuni ce implic combinaii de sisteme puternic corelate. nelegerea acestora poate duce la noi proprieti n care multistratul ca atare poate fi privit ca un nou material dac straturile componente sunt suficient de subiri, adic mai subiri dect lungimea de coeren.

    Provocarea tehnologic: Producerea unor structuri perfect controlabile tehnologic, reproductibile, lipsite de defecte sau cu un minim de defecte.

    Exploatarea proprietilor speciale de performan ale unor materiale. Se are n vedere cutarea de materiale care s permit obinerea de performane ale parametrilor fizici sau/i materiale cu reacie puternic i inteligent la stimulii de mediu.

    Provocarea tiinific:

  • - Materiale cu interaciune biologic (de pild materiale care, prin aplicare, s repare rapid o ran imediat dup formarea ei). nelegerea interaciunii cu esuturile este primordial.

    - Materiale cu rezisten extrem de mare la impact. Este necesar cunoaterea aprofundat a efectelor nanostructurrilor n reele atomice pentru mbuntirea performanelor de material.

    - Supraconductorii de temperatur nalt. Nu s-a conturat nc o teorie consistent care s descrie diferitele faze n mod coerent. Una dintre dificulti se datoreaz instabilitilor. S-a constatat experimental c n unele sisteme exist benzi statice care nu sunt supraconductoare. Interaciile puternice acioneaz ntr-un sens sau altul, distrugnd sau genernd supraconducia. Nu se tie ce determin aceast comportare. Trebuie neleas comportarea diferit a supraconductorilor la frecvene de microunde, fa de cazul curentului continuu.

    - Materiale structurate artificial. Multistraturile croite n mod controlat, aliajele metalice modulate, cristalele fotonice (cu constant de reea variabil spaial) posed proprieti deosebite magnetice, optice, supraconductoare, care trebuie studiate n mod sistematic. Cristalele fotonice prezint periodicitate a constantei dielectrice, care creeaz frecvene interzise numite intervale interzise fotonice. Fotonii situai cu energia n aceste zone interzise nu se pot propaga prin mediul respectiv.

    - Ceramicile electronice de tip perovskit (piezoceramicile) sunt extrem de importante pentru aplicaii tehnice. Fragmentele de structuri de tip perovskit pot fi combinate cu multe alte elemente structurale. Se genereaz astfel noi materiale cu proprieti deosebite. Este important realizarea unor legturi ntre elemente diferite i, de aceea, potrivirea geometric este esenial. Prezena vacanelor de oxigen sporete adaptabilitatea componentelor structurale. Substituirea a dou tipuri de cationi mrete potenialul de modificare a proprietilor ceramicilor, precum i abilitatea de a ncorpora diferite elemente structurale. Supraconductorii de oxid de cupru compozii sunt gritori n aceast privin. n multe cazuri, stoichiometria oxigenului difer de cea ideal. Vacanele de oxigen sunt adesea ordonate i formeaz suprastructuri. Oxidrile i reducerile influeneaz proprietile ceramicilor. Proprietile piezoceramicilor pot fi astfel controlate cu finee. Studiul fundamental al perovskiilor este obiectul unei cercetri continui.

    Sunt avute n vedere clase noi de materiale feroelectrice cu avantaje aplicative, precum compozitele ceramic/polimer. Se combin faze cu proprieti diferite. Proprietile mecanice i electrice ale compozitelor pot fi modificate cu multe ordine de mrime n funcie de modul n care se conecteaz fazele individuale. Se pot obine senzori de presiune sensibili i ieftini. Cu ajutorul dopanilor (Ca, Pb, Mn, negru de fum...) se pot controla uor temperatura Curie, anizotropia, polarizabilitatea i pierderile dielectrice, precum i rezistivitatea materialului.

  • - Cvazi-cristalele sunt aliaje metalice cu coninut mare de aluminiu, care prezint o simetrie cristalografic interzis (axe de ordin 5). Cvazi-cristalele pot fi formate prin multe combinaii de elemente. Studiile fundamentale sunt nc la nceput.

    Provocarea tehnologic: - Producerea de mbrcminte pentru militari, cu efect de vindecare a

    rnilor, la scurt timp dup apariia acestora. - Crearea de noi materiale super-rezistente prin mimarea unor

    materiale produse n sfera bio (de exemplu materialul pentru veste anti-glon, Kevlarul, folosete fibre produse de o specie de paianjen).

    - n cazul supraconductorilor de temperatur critic ridicat, materialele cu oxid de cupru sunt greu de nlocuit, deoarece scara de energie asociat magnetismului (care este implicat fundamental n mod fundamental n supraconducie) este foarte nalt, depind pe cea din cazul altor materiale supraconductoare. Materiale noi pot fi gsite doar n afara i n pofida teoriei cvazi-unanim acceptate astzi (starea de supraconducie este o stare rezonant a legturii de valen dopat, cu pronunat caracter d). Cercetarea de material se va dezvolta n continuare, incluznd noi clase, ca de pild, cea a compuilor cu bor, la care s-au observat recent temperaturi critice suficient de nalte. Este important perfecionarea tehnologiei de obinere a supraconductorilor ceramici.

    Se va pune la punct tehnologia circuitelor de microunde cu supraconductori calzi. Cercetrile tehnologice pentru obinerea de multistraturi de nalt calitate, lipsite de defecte vor preceda aplicaiile n domeniul dezvoltrii de magnetometre sensibile pentru medicin, pentru scopuri militare i pentru defectoscopie nedestructiv (bazate pe jonciuni Josephson). Se are n vedere crearea de circuite ultrarapide.

    - n cazul materialelor structurate artificial, se vor avea n vedere n mod special dispozitivele optoelectronice. Se va pune le punct tehnologia pentru obinerea structurilor cu compoziie modulat. innd seama de proprietile cristalelor fotonice, se pot construi oglinzi de foarte nalt reflectivitate pentru anumite lungimi de und ale radiaiei electromagnetice.

    - Ceramicile piezoelectrice vor fi procesate astfel nct s se obin catalizatori performani, supraconductori i electrozi de oxigen. n toate cazurile, morfologia produselor trebuie controlat, jucnd un rol principal. Dezvoltarea unor tehnologii de preparare controlate pentru fazele care prezint proprieti specifice fizico-chimice, morfologice, structurale i compoziionale, necesit studii experimentale sistematice.

    - Cvazi-cristalele sunt sugerate pentru aplicaii. Se are n vedere un compozit promitor: material polimeric n care se introduce pulbere cvazi-cristalin de Al-Cu-Fe. Particulele de Al-Cu-Fe sporesc rezistena la uzur a polimerului. Se presupune c acest fapt se datorete combinrii duritii cvazi-cristalitelor, cu coeficientul de frecare mic i conductivitatea termic redus a polimerului. Pentru aplicaii de anvergur, la acoperiri rezistente,

  • este nevoie de o cercetare experimental extins, avnd n vedere sensibilitatea acoperirilor la fazele prezente n material. Se va ncerca aplicarea cvazi-cristalelor n cataliz, stocarea hidrogenului, generarea de termo-electricitate i drept absorbani optici.

    NR: Dr Mihai Popescu de la INFM este editor ef la Journal of

    Optoelectronics and Advanced Materials